王龍飛

0 引 言

新能源汽車的電動(dòng)轉(zhuǎn)向技術(shù)日趨成熟。相對(duì)于傳統(tǒng)HPS （Hydraulic-Electric Power Steering，液壓助力轉(zhuǎn)向器） 和C-EPS （Column-Electric Power Steering，管柱式電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向器），目前DP（Dual-Pinion Electric Power Steering，雙小齒輪式電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向器） 和R-EPS （Rack Parallel-Electric Power Steering，齒條式助力轉(zhuǎn)向器）已成為電動(dòng)汽車的主流配置[1]。本文對(duì)DP 轉(zhuǎn)向器幾種典型異響故障進(jìn)行原因分析，制定改進(jìn)方案并進(jìn)行驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)優(yōu)化措施有效，為DP 轉(zhuǎn)向器異響問題分析和解決提供經(jīng)驗(yàn)借鑒。

1 DP轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)

DP 轉(zhuǎn)向器主要由扭矩傳感器、橫拉桿、齒條、電動(dòng)機(jī)、ECU（Electronic Control Unit，電控單元）、蝸輪蝸桿、齒輪軸等組成[2]，如圖1 所示。駕駛員轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤將力傳遞至管柱、萬向節(jié)和輸入軸，扭矩傳感器采集信號(hào)并傳輸給ECU控制電動(dòng)機(jī)輸出扭矩，使齒條沿軸向運(yùn)動(dòng)發(fā)揮轉(zhuǎn)向助力功能。

圖1 DP轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)

2 異響故障

某車型出現(xiàn)了多種DP 轉(zhuǎn)向器異響故障，包括原地快速換向異響、行駛中轉(zhuǎn)向異響和過顛簸路異響。故障車輛主要出現(xiàn)在我國(guó)西南、西北路況較惡劣的地區(qū)，故障里程集中在5 000～30 000 km，運(yùn)行時(shí)間均在6個(gè)月以上。

3 原因分析

首先在整車上進(jìn)行ABA 互換測(cè)試，確定DP 轉(zhuǎn)向器為異響源，然后檢查故障件的生產(chǎn)過程、外觀、尺寸、材料、性能和Operation 噪聲（操作噪聲，即汽車行駛或原地向一側(cè)轉(zhuǎn)向時(shí)轉(zhuǎn)向器發(fā)出的噪聲），如仍無法識(shí)別出異響原因，則搭建臺(tái)架進(jìn)行Clunk噪聲（換向噪聲，即汽車行駛或原地進(jìn)行快速換向時(shí)轉(zhuǎn)向器發(fā)出的噪聲）測(cè)試或Rattle 噪聲（振動(dòng)噪聲，即汽車過鵝卵石路、比利時(shí)路等顛簸路面時(shí)轉(zhuǎn)向器發(fā)出的噪聲）測(cè)試，確認(rèn)故障件后對(duì)總成進(jìn)行拆解分析。針對(duì)不同的異響故障現(xiàn)象，通過上述分析流程查找原因。

3.1 原地快速換向異響

在整車IG-ON（Ignition On，點(diǎn)火開關(guān)打開）模式進(jìn)行原地快速換向時(shí)，車輛底盤發(fā)出“噠噠”異響，行駛過程中此異響不明顯，通過ABA 互換確認(rèn)為轉(zhuǎn)向器單品故障，其總成模型如圖2所示。

圖2 DP轉(zhuǎn)向器總成

將故障件返回供應(yīng)商進(jìn)行復(fù)測(cè)，整體外觀無異常，拉桿、殼體、電動(dòng)機(jī)等均無磕碰，各部位連接扭矩?zé)o異常；總成尺寸無明顯變化，總成關(guān)鍵尺寸均合格；關(guān)鍵零部件的原材料也無異常。在生產(chǎn)線上復(fù)檢旋轉(zhuǎn)力矩、齒條拉力、T-F（Input Torque-Rack Force，輸入扭矩-齒條力）特性曲線、YOKE（軛）間隙等性能均合格，之后進(jìn)行操作噪聲測(cè)試，通電產(chǎn)生助力，加載6 375 N 齒條載荷，設(shè)置輸入軸轉(zhuǎn)速為12 r/min，轉(zhuǎn)動(dòng)范圍為-450°～450°，要求距離電動(dòng)機(jī)端部300 mm高處的操作噪聲≤56 dBA，測(cè)試結(jié)果為46～54 dBA，測(cè)試合格無異響。

對(duì)故障件進(jìn)行Clunk 噪聲臺(tái)架測(cè)試，通電狀態(tài)下，齒條載荷為-5 885～5 885 N，速度為80 r/min，轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角范圍分別為-20°～20°、-380°～＜ 340°、340°～380°，要求距離電動(dòng)機(jī)端部 300 mm 高處噪聲≤56 dBA，測(cè)試結(jié)果為噪聲超出目標(biāo)值且出現(xiàn)異響。將應(yīng)變片貼在輸入軸、CAM YOKE（調(diào)整軛）、SUPPORT YOKE （支撐軛）、GBOX （Gear BOX，減速機(jī)構(gòu)）和齒條殼體等運(yùn)動(dòng)相關(guān)部件上，采用HEAD Recorder 軟件采集數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，振動(dòng)最大的位置為GBOX 與齒條殼體的連接點(diǎn)，此位置Z向加速度峰值為5.142g，同時(shí)GBOX 的X向、Y向加速度和齒條殼體的X向、Y向加速度方向相反（GBOX 和齒條殼體間為面貼合，由螺栓連接，如果GBOX 的中間軸運(yùn)動(dòng)時(shí)不對(duì)中，則GBOX 的外圓與齒條殼體的內(nèi)圓發(fā)生干涉），說明GBOX 和齒條殼體間產(chǎn)生了直接摩擦，導(dǎo)致異響產(chǎn)生。

對(duì)GBOX 進(jìn)行拆解，發(fā)現(xiàn)GBOX 內(nèi)圓與齒條殼體外圓的配合部位有明顯磨損，且偏向同一側(cè)，O型圈單側(cè)也磨損嚴(yán)重，如圖3所示。

圖3 GBOX與齒條殼體的磨損

對(duì)圖3異常磨損進(jìn)行分析，供應(yīng)商組裝工藝是將GBOX 從側(cè)面安裝到齒條殼體上，但GBOX 單品過重，與齒條殼體安裝后一致性變差，使對(duì)中性偏差較大的GBOX 傾斜，與齒條殼體接觸產(chǎn)生摩擦，如圖4所示；設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)上GBOX 與齒條殼體采用3個(gè)螺栓連接，前者具有3個(gè)φ8.5 mm光孔，后者具有3個(gè)M8螺紋，二者缺少定位基準(zhǔn)，連接后對(duì)中性差，導(dǎo)致產(chǎn)生耐久偏磨。

圖4 GBOX與齒條殼體的組裝狀態(tài)

3.2 行駛中轉(zhuǎn)向異響

車輛行駛中轉(zhuǎn)向時(shí)伴有“咯噔”異響，顛簸路時(shí)出現(xiàn)轉(zhuǎn)向盤抖動(dòng)。檢查底盤發(fā)現(xiàn)，CAM YOKE 松動(dòng)，如圖5所示，導(dǎo)致齒條與殼體間隙變大，地面通過齒條使轉(zhuǎn)向盤產(chǎn)生激振。

圖5 檢查轉(zhuǎn)向器

將故障件返回供應(yīng)商進(jìn)行復(fù)測(cè)，外觀無異常，拉桿、殼體、電動(dòng)機(jī)等無磕碰，拉桿、PPK（Power Pack，動(dòng)力單元）、輸入軸等尺寸無異常，CAM YOKE 松動(dòng)，其間隙為0.25～0.35 mm，但該值要求≤0.15 mm，同時(shí)測(cè)試操作噪聲發(fā)現(xiàn)有異響。

將故障件CAM YOKE 拆解檢測(cè)，鎖止螺母、調(diào)整螺母、壓塊、齒條殼體和螺紋膠的材質(zhì)、尺寸及性能均合格，螺紋無缺陷、內(nèi)部無異物，螺紋螺距、牙型角、牙型高度等均合格，如圖6所示。

圖6 CAM YOKE組件檢測(cè)

對(duì)故障件CAM YOKE 進(jìn)行振動(dòng)耐久測(cè)試，將螺紋扭矩恢復(fù)至出廠時(shí)59.6 N，經(jīng)過24 h 固定振動(dòng)頻率（45 Hz） 測(cè)試， 故障未再現(xiàn)， CAM YOKE 扭矩正常；之后進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)，16 h后故障再現(xiàn)，CAM YOKE 松脫，其鎖緊扭矩有衰減。由此可知，相比固定頻率振動(dòng)耐久試驗(yàn)，隨機(jī)振動(dòng)耐久試驗(yàn)更貼近實(shí)際路況，試驗(yàn)結(jié)果的可靠性更高。

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)CAM YOKE 防松力設(shè)計(jì)不足，當(dāng)行駛路況較差時(shí)，齒條通過壓塊對(duì)鎖緊螺紋產(chǎn)生較大沖擊，進(jìn)而使螺紋鎖緊力矩不足，導(dǎo)致CAM YOKE 組件鎖緊功能失效。

3.3 過顛簸路異響

汽車過顛簸路時(shí)有異響聲，IG-ON 模式原地進(jìn)行小角度換向時(shí)，車輛出現(xiàn)“咚咚”異響，倒車時(shí)尤其明顯。

將故障件返回供應(yīng)商進(jìn)行復(fù)測(cè)，總成及齒條殼體的尺寸、材料無異常，旋轉(zhuǎn)力矩、齒條拉力、T-F特性曲線、YOKE 間隙等性能均合格，測(cè)試操作噪聲合格，但CAM YOKE 內(nèi)部釋放凸輪槽與外部箭頭成一條線，CAM YOKE未釋放，如圖7所示。

圖7 CAM YOKE零部件及故障狀態(tài)

對(duì)故障件進(jìn)行Rattle 噪聲測(cè)試，異響聲明顯。Rattle 噪聲測(cè)試條件為上電13.5 V、模擬車速為15 km/h、電機(jī)轉(zhuǎn)速為700 r/min、負(fù)載為-3～3 kN、振動(dòng)頻率為5～20 Hz，要求距離齒條殼體150 mm 處噪聲值≤70 dBA。采用HEAD Recorder軟件采集數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，CAM YOKE 壓塊位置的振動(dòng)加速度最大。將CAM YOKE的調(diào)整螺母敲擊釋放后，異響消除，重新測(cè)試操作噪聲、Rattle噪聲和Clunk噪聲均無異常。

拆解CAM YOKE 組件發(fā)現(xiàn)，壓塊拆解時(shí)有卡滯感，齒條殼體側(cè)面有劃痕。根據(jù)組裝工藝可知，操作工人未將壓塊放正，導(dǎo)向桿下按壓塊時(shí)，其底部卡在齒條殼體內(nèi)側(cè)，如圖8所示，并且后續(xù)工序未檢出CAM YOKE未釋放，最終導(dǎo)致不良品流出。

圖8 齒條殼體內(nèi)側(cè)劃痕及壓裝工藝

4 改進(jìn)措施和效果驗(yàn)證

針對(duì)轉(zhuǎn)向器異響故障的不同原因制定相應(yīng)改善措施，并分別進(jìn)行效果驗(yàn)證，確保改善措施有效。

4.1 原地快速換向異響的改進(jìn)方案

在齒條殼體最上端增加彈簧導(dǎo)向銷，如圖9 所示，對(duì)GBOX 進(jìn)行匹配修改保證定位精度，使GBOX 和齒條殼體裝配時(shí)對(duì)中一致，同時(shí)在操作噪聲檢測(cè)工序增加Clunk噪聲檢測(cè)功能，及早發(fā)現(xiàn)異響故障。

圖9 齒條殼體改進(jìn)前、后對(duì)比

增加彈簧導(dǎo)向銷后，GBOX 和齒條殼體的裝配一致性較好，拆解改善后新組裝的30 個(gè)樣件發(fā)現(xiàn)，齒條殼體內(nèi)側(cè)無偏磨痕跡。供應(yīng)商對(duì)隨機(jī)選取的3個(gè)樣件進(jìn)行5 萬次臺(tái)架綜合耐久試驗(yàn)，另隨機(jī)選取3個(gè)樣件搭載整車進(jìn)行6 萬km 可靠性試驗(yàn)，各樣件拆解后均無偏磨現(xiàn)象，改善措施有效。

4.2 行駛中轉(zhuǎn)向異響的改進(jìn)方案

將鎖止螺母、調(diào)整螺母和齒條殼體的螺紋螺距由1.5 mm 改為1.0 mm，強(qiáng)化扭矩締結(jié)力，并將鎖止螺母厚度由4.5 mm 改為6.0 mm，增大螺紋連接的有效圈數(shù)，同時(shí)為便于區(qū)分，將孔堵由黑色改成白色，具體如圖10所示。

圖10 CAM YOKE改進(jìn)前、后對(duì)比

通常，螺距越小螺紋升角越小摩擦力越大。對(duì)優(yōu)化前、后的CAM YOKE 和齒條殼體連接螺紋進(jìn)行受力分析，測(cè)試螺紋的松開扭矩，發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后可使扭矩增加25%以上。供應(yīng)商對(duì)隨機(jī)選取的3 個(gè)樣件進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)耐久測(cè)試，另隨機(jī)選取3個(gè)樣件搭載整車進(jìn)行6 萬km 可靠性測(cè)試，CAM YOKE 均無松脫和掉扭現(xiàn)象。

4.3 過顛簸路異響的改進(jìn)方案

首先將CAM YOKE 壓塊組裝工具更換為氣動(dòng)錘，保證壓裝一致性，同時(shí)制作專用檢具，當(dāng)氣動(dòng)錘將壓塊壓裝到位后，操作工人用專用檢具轉(zhuǎn)動(dòng)齒條檢查壓塊是否卡住，并保證所有產(chǎn)品100%檢測(cè)，如圖11所示；另外在總成下線前進(jìn)行釋放角度100%目視檢查，通過手電筒和角度檢規(guī)確認(rèn)CAM YOKE的內(nèi)部凹槽與外部箭頭的旋轉(zhuǎn)角度大于5°。

圖11 氣動(dòng)錘和壓塊專用檢具

工藝改進(jìn)后隨機(jī)測(cè)量30 件下線總成，釋放角度一致性較好，拆解后發(fā)現(xiàn)齒條殼體內(nèi)側(cè)均無劃痕，且下線前目視檢查工序未再檢出CAM YOKE未釋放的不良產(chǎn)品，售后市場(chǎng)也未再反饋過此類問題。

5 結(jié)束語

針對(duì)DP 轉(zhuǎn)向器在不同工況下的異響故障，分別采用供應(yīng)商復(fù)測(cè)、臺(tái)架測(cè)試和拆解故障件方式查找故障原因，通過設(shè)計(jì)優(yōu)化和工藝優(yōu)化有效地解決了異響問題，其中減速機(jī)構(gòu)與齒條殼體間的連接需要考慮定位基準(zhǔn)的精度，保證組裝的一致性，避免出現(xiàn)早期偏磨；同時(shí)，對(duì)于異響問題檢測(cè)，可增加隨機(jī)振動(dòng)耐久試驗(yàn)、Clunk 噪聲檢測(cè)、Rattle 噪聲檢測(cè)等，盡可能避免故障產(chǎn)品流入市場(chǎng)。